KR20060128772A - 위상 적응형 변조 제어기법을 사용한 유도가열 조리기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 위상 적응형 변조(PAM, Phase Adaptive Modulation) 제어기법을 사용한 유도가열 조리기에 관한 것으로서, 상용전원(1)으로부터 전원을 인가 받아 워크코일(5)로 전달하는 정류기(2), 상기 워크코일(5)에서 발생하는 역기전력을 흡수하였다가 다시 되돌려주는 일을 반복하여 상기 워크코일(5)에 고주파 자계를 발생하게 하는 공진 캐패시터(4), 상기 워크코일(5) 양단의 위상을 비교하여 공진단 전압이 가장 낮아졌을 때 출력 신호를 발생시키는 트리거발생부(30), 상기 트리거발생부의 출력신호를 받아서 IGBT(7)의 게이트를 구동하기 위한 펄스를 출력하는 발진부(40), 게이트 저항(12, 10)으로 내보내는 전압크기를 조절하여 상기 발진부(40)의 발진주파수를 설정하는 마이크로프로세서(50), 및 AC입력전압의 각속도와 같은 위상의 공진포락선을 상기 마이크로프로세서(50)에서 출력되는 출력콘트롤전압(VC)에 중첩시켜 발진주파수를 선택적으로 가변시키는 위상 적응형 변조 제어부(60)를 포함하여 구성되며, 값비싼 고전압급 IGBT로 구성된 종래의 유도가열 조리기에 위상 적응형 변조(PAM, Phase Adaptive Modulation)제어기법을 부가하여 중전압급 IGBT로도 특이재질 부하(그릇)를 가열할 수 있도록 하여, 유도가열 조리기의 구성원가를 크게 낮출 수 있다.

유도가열, 인덕션, 위상 적응형 변조, PAM(Phase Adaptive Modulation)

Description

위상 적응형 변조 제어기법을 사용한 유도가열 조리기{An induction heating cooker using Phase Adaptive Modulation control method}

도 1은 본 발명에 의한 PAM(Phase Adaptive Modulation) 제어부가 포함된 유도가열 조리기의 구성도.

도 2a 내지 도 2c는 도 1의 동작파형을 도시한 그래프.

도 3은 종래의 유도가열 조리기의 구성도.

도 4a 내지 도 4c는 도 3의 동작파형을 도시한 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 상용 교류전원 2 : 전원 정류기(브리지 다이오드)

3 : 평활 캐패시터 4 : 공진 캐패시터

5 : 워크코일(WORK COIL) 6 : 부하(그릇)

7 : IGBT(전력소자) 8 : FET(전계효과 트랜지스터)

9 : 발진 캐패시터 10, 12 : 게이트 저항

11 : 휠터 캐패시터 30 : 트리거 발생부

40 : 발진부 50 : 마이크로프로세서

60 : PAM(Phase Adaptive Modulation)부

61, 62 : 분압저항 63 : 제너다이오드

본 발명은 가정용 조리기기의 일종인 유도가열 조리기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 위상 적응형 변조(PAM, Phase Adaptive Modulation) 제어기법을 사용한 유도가열 조리기에 관한 것이다.

유도가열 조리기는 일명 워크코일(WORK COIL)에 높은 전압의 고주파 전류를 흘려주어 거기서 발생하는 고주파 자계를 이용하여 그릇을 가열하는 원리로 되어 있는데, 좀더 구체적으로 설명하자면, 고주파 자계가 철 계통의 금속그릇에 닿게되면 그릇 표면에 와전류(EDDY CURRENT)가 발생하게 되고, 그 와전류가 열 에너지로 변환된다.

워크코일에 고주파 전류를 흘려주기 위해서는 일반적으로 대전력 반도체로 일컬어지는 IGBT를 통하게 되는데, IGBT가 동작할 때 콜렉터전압(=공진전압)은 대략 1,000V에서 1,500V 수준으로 상당히 높은 편이고, 이때 스위칭 주파수는 약 40Khz에서 20Khz정도다.

IGBT는 대전력 반도체이기 때문에 가격도 비싼 편이어서 유도가열 조리기의 구성원가중 상당부분을 차지한다. 특히 콜렉터 내전압 등급에 따라 가격차이가 크게 나는데, 일례로서 내전압 특성이 약 1,500V인 고전압급 IGBT는 내전압 1,200V 정도인 중전압급 IGBT에 비해 가격이 약 2배가량 된다. 따라서, 유도가열 조리기의 원가를 절감하기 위하여는 낮은 전압 등급의 IGBT를 사용하는 것이 바람직 하지 만, 콜렉터 전압 즉, 공진전압은 부하(그릇)의 재질에 따라 결정되기 때문에, 특히 그릇에 구리나 니켈 또는 금과 같은 비철금속이 도금되어있는 '특이재질'의 경우 공진전압은 최고가 되어, 고전압급 IGBT를 사용하지 않으면 안된다.

이와 같이 종래의 유도가열 조리기는 특이재질 부하(그릇)을 사용할 경우에 대비해 고전압급 IGBT를 채택하고 있으며, 그로 인해 구성 원가가 상승하는 문제가 있었다.

유도가열 조리기의 출력 조절은 발진주파수를 가변시켜서 달성 하는데, 즉, 발진주파수를 40Khz부근으로 높여주면 공진전압이 극히 낮아지면서 출력이 줄어들고, 반대로 발진주파수를 20Khz부근으로 낮춰주면 공진전압이 올라가면서 출력이 증가한다. 여기서, 공진전압은 전 대역에 걸쳐 일정한 직선값이 아니고, 정류기에서 공급받는 맥류의 위상각에 따라 도 4a와 같이 산과 골을 반복 한다. 즉, AC위상의 상사점인 90’, 270’에서는 공진전압이 최고값이 되고, 제로크로싱(ZERO CROSSING)인 0’, 180’에서는 공진전압이 최저값이 되어 0V에 근접한다.

여기에서, IGBT의 내압이 실제로 문제가 되는 구간은 AC위상의 상사점 부근뿐이며, 상사점의 좌우 80%수준 이하는 공진전압이 낮기 때문에 내압이 전혀 문제될 일이 없다. 따라서, 본 발명에서는 공진전압이 높아서 내압 문제가 고려되는 상사점 부근에서는 발진주파수를 높여서 공진전압을 낮추어주고, 상사점 좌우로 80%수준 이하의 낮은 전압 구간에서는 발진주파수를 오히려 낮춰 출력을 부스트(BOOST)시키도록 하는 이른바 위상 적응형 주파수변조(PAM: Phase Adaptive Modulation)기법을 통해, 중전압급의 IGBT로도 종래의 특이재질 부하(그릇)를 구동시킬 수 있도록 하는 구성과 방법을 제시 하고자 한다.

상기 낮은 전압구간에서 발진주파수를 낮춰 출력을 부스트(BOOST)시키는 이유는, 상사점에서 줄어든 출력을 보완해 주기 위함이다. 적응형 주파수변조란 뜻인 Adaptive Modulation 앞에 Phase(위상)이 더 붙는 데는, 후술하는 바와 같이 전원위상과 동일한 각속도를 갖는 공진파형의 포락선(Envelop)을 변조의 소스(Source)로 사용한다는 의미가 담겨있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 유도가열 조리기는,

상용전원(1)으로부터 전원을 인가 받아 워크코일(5)로 전달하는 정류기(2),

상기 워크코일(5)에서 발생하는 역기전력을 흡수하였다가 다시 되돌려주는 일을 반복하여 상기 워크코일(5)에 고주파 자계를 발생하게 하는 공진 캐패시터(4),

상기 워크코일(5) 양단의 위상을 비교하여 공진단 전압이 가장 낮아졌을 때 출력 신호를 발생시키는 트리거발생부(30),

상기 트리거발생부의 출력신호를 받아서 IGBT(7)의 게이트를 구동하기 위한 펄스를 출력하는 발진부(40),

게이트 저항(12, 10)으로 내보내는 전압크기를 조절하여 상기 발진부(40)의 발진주파수를 설정하는 마이크로프로세서(50), 및

AC입력전압의 각속도와 같은 위상의 공진포락선을 상기 마이크로프로세 서(50)에서 출력되는 출력콘트롤전압(VC)에 중첩시켜 발진주파수를 선택적으로 가변시키는 위상 적응형 변조 제어부(60)를 포함하여 구성된다.

본 발명에서 상기 공진포락선은 공진단 전압을 분압하여 얻은 후 적분하여 생성되는 것이 바람직하며, 상기 위상 적응형 변조 제어부(60)가 발진주파수를 선택적으로 가변시키기 위해 상사점 부분에서는 발진주파수를 높이고, 제로크로싱 부분에서는 발진주파수를 낮추도록 구성되는 것이 바람직하다.

이하 첨부한 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 유도가열 조리기의 구성 및 작용을 상세히 설명한다.

도 3은 종래의 유도가열 조리기의 구성도이고, 도 1은 본 발명에 따라 구성된 PAM(60)부가 포함된 유도가열 조리기의 구성도이다. 우선 이들 두개의 구성도에서 공통된 부분을 중심으로 먼저 설명 하고자 한다.

상용전원(1)이 정류기(2)에 인가되면 정류기(2)출력은 맥류상태로 워크코일(5)에 인가되며, 평활 캐패시터(3)가 있는데도 정류기(2)출력은 직류가 아닌 맥류형태가 되는 이유는, 워크코일(5)에서 소비하는 전류량에 비해 평활 캐패시터(3)의 용량이 아주 적기 때문이며, 여기서 평활 캐패시터(3)가 하는 실제적인 역할은 평활작용보다는 IGBT가 스위칭할 때 발생하는 스위칭 노이즈를 흡수하는 일을 더 많이 한다.

공진 캐패시터(4)는 워크코일(5)과 병렬로 접속되어, 워크코일(5)에서 발생하는 역기전력을 흡수(충전)하였다가 워크코일(5)에 다시 되돌려(방전)주는 일을 매 주기마다 고속으로(20Khz~40Khz) 반복하여, 워크코일(5)에서 고주파 자계가 발 생하게 한다.

트리거발생부(30)는 워크코일(5) 양단의 위상을 비교하여, 공진단(IGBT의 콜렉터) 전압이 가장 낮아졌을 때 출력 신호를 발진부(40)로 내보낸다. 발진부(40)는 IGBT(7)의 게이트를 구동하기 위한 펄스출력을 내보내는 일을 하며, 트리거발생부(30)로부터 트리거 신호를 받았을 때만 한 펄스씩 출력하도록 되어있다.

전술한 바와 같이 발진부(40)의 발진 주파수를 변경시키면 출력이 변동 하는데, 발진부(40)의 발진 주파수를 변경시키는 방법은 전계효과트랜지스터(8)의 드레인~소스간 저항변화 즉, Rds특성을 이용한다. 전계효과트랜지스터(8)의 게이트 전압을 올려주면 Rds값이 줄어들고, 게이트 전압을 낮추면 Rds값이 증가한다. 좀 더 간단하게 설명하면, 여기서 전계효과트랜지스터(8)는 등가적으로 포텐쇼메터(볼륨)로 볼 수 있으며, 다만 게이트 전압값에 따라 저항값이 변화하는 전자식 볼륨이라 할 수 있다.

마이크로프로세서(50)의 역할은 매우 다양하지만, 본 발명에서 다루는 제한적 부분에 있어서는 단순히 가변전압장치로 간주할 수 있다. 즉, 마이크로프로세서(50)가 게이트 저항(12,10)으로 내보내는 전압크기에 따라 전계효과트랜지스터(8)의 Rds값이 바뀌고, 그러게 되면 발진주파수가 바뀌어 원하는 임의출력이 설정된다.

도 4a는 종래의 유도가열 조리기의 공진파형 모습이고, 도 4b는 도 4a의 제로크로싱 부분을 확대한 것이고, 도 4c는 도 4a의 상사점 부분을 확대한 것인데, 여기서 주목할 점은 제로크로싱 부분이나 상사점 부분이나 공진 주파수가 약 23.5Khz~23.1Khz로서 거의 같다는 점이다. 이런 경우 상사점 부분의 공진전압이 높아, 전술한 바와 같이 고전압급 IGBT를 사용해야만 하는 어려움이 따른다.

반면 도 2a는 본 발명에 의한 효과가 반영된 공진파형으로서, 상사점의 전압이 도 4a에 비해 현저히 낮아졌음을 알 수 있다. 도 2b는 도 2a의 제로크로싱 부분을 확대한 것이고, 도 2c는 도 2a의 상사점 부분을 확대한 것인데, 여기서 주목할 점은 제로크로싱 부분의 공진주파수는 22.0Khz이고, 상사점 부분의 공진주파수는 25.8Khz로서 서로 다르게 동작하고 있음을 알 수 있다. 이와 같이 상사점 부근에서만 선택적으로 공진주파수를 달리하기 위하여는 출력콘트롤전압(VC)을 선택적으로 바꿔주어야 한다.

도 4a에서 보면 출력콘트롤전압(VC)이 거의 일직선이기 때문에, 공진(=발진)주파수가 전 대역에 걸쳐 일정한데 반해, 도 2a에서의 출력콘트롤전압(VC)은 AC전원 위상일부가 중첩되어 상사점 부근의 발진주파수를 높여주고 있음을 알 수 있다.

본 발명에 의해 구성된 도 1에서, 출력콘트롤전압(VC)에 실리는 AC전원 위상소스(SOURCE)는 분압된 공진전압이다. 즉, 공진전압은 분압저항(61,62)을 통해 적절히 낮춰진 후 제너다이오드(63)와 순방향 다이오드(65)를 통해 휠터캐패시터(11)에 인가되어, 마이크로프로세서(50)에서 공급되는 출력콘트롤전압(VC)에 중첩된다. 여기서, 제너다이오드(63)는 공진전압 중에서 상사점 부분만 통과시켜 줌으로써, 공진파형의 과도한 찌그러짐을 막아주고, 제너누설전류 패스저항(64)은 제너다이오드(63)의 누설전류를 패스시켜 제너다이오드(63)의 동작특성을 개선시키고, 불필요한 전압이 VC단에 인가되는 것을 차단한다. 휠터캐패시터(11)는 공진단에서 인가된 중첩전압에 포함된 수십 킬로헤르츠의 공진(교류)파형을 적분하여 일련의 포락선 파형으로 다듬어준다.

이상 전술한 바와 같이 AC입력전압의 각속도와 같은 위상의 공진 포락선을 출력콘트롤전압(VC)에 중첩시켜, 발진주파수를 선택적으로 가변시키도록 한 것을 '위상적응형 변조'라 하며, PAM(Phase Adaptive Modulation)으로 표현한다.

이상 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 의해 얻어지는 효과는 종래에는 특이재질의 부하(그릇)를 가열하기 위해서는 고전압급 IGBT가 꼭 필요 하였으나, 본 발명에서는 PAM(Phase Adaptive Modulation)제어기법을 통해 중전압급 IGBT로도 실현 가능하도록 함으로써, 유도가열 조리기의 구성원가를 크게 낮출 수 있다.

Claims (3)

1. 상용전원(1)으로부터 전원을 인가 받아 워크코일(5)로 전달하는 정류기(2);

   상기 워크코일(5)에서 발생하는 역기전력을 흡수하였다가 다시 되돌려주는 일을 반복하여 상기 워크코일(5)에 고주파 자계를 발생하게 하는 공진 캐패시터(4);

   상기 워크코일(5) 양단의 위상을 비교하여 공진단 전압이 가장 낮아졌을 때 출력 신호를 발생시키는 트리거발생부(30);

   상기 트리거발생부의 출력신호를 받아서 IGBT(7)의 게이트를 구동하기 위한 펄스를 출력하는 발진부(40);

   게이트 저항(12, 10)으로 내보내는 전압크기를 조절하여 상기 발진부(40)의 발진주파수를 설정하는 마이크로프로세서(50); 및

   AC입력전압의 각속도와 같은 위상의 공진포락선을 상기 마이크로프로세서(50)에서 출력되는 출력콘트롤전압(VC)에 중첩시켜 발진주파수를 선택적으로 가변시키는 위상 적응형 변조 제어부(60)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는, 유도가열 조리기.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 공진포락선은 공진단 전압을 분압하여 얻은후 적분하여 생성된 것을 특징으로 하는, 유도가열 조리기.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 위상 적응형 변조 제어부(60)가 발진주파수를 선택적으로 가변시키기 위해 상사점 부분에서는 발진주파수를 높이고, 제로크로싱 부분에서는 발진주파수를 낮추도록 구성된 것을 특징으로 하는, 유도가열 조리기.

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